圖片說明：NFC（近距離無線通訊技術(shù)）是世界上第一個(gè)可植入式的NFC標(biāo)準(zhǔn)的射頻識(shí)別（RFID）芯片。
（資料圖片）
美國正在研發(fā)大腦植入，以恢復(fù)受損者記憶。 （資料圖片）
當(dāng)人們還在討論谷歌眼鏡等可穿戴設(shè)備時(shí)，可植入設(shè)備已漸行漸近。皮下植入設(shè)備正收集被植入者的體溫等基本生物計(jì)量數(shù)據(jù),并通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；能恢復(fù)失明病患視力的視網(wǎng)膜植入等設(shè)備也紛紛揭開神秘面紗……
事實(shí)上，可植入設(shè)備愈來愈受到諸多研發(fā)人員的青睞。不過，可植入設(shè)備的價(jià)值還遠(yuǎn)不止于此，不僅在醫(yī)療領(lǐng)域，它在提升人類對(duì)外部世界感知能力層面也發(fā)揮著舉重若輕的作用。那么，究竟什么是可植入設(shè)備？核心技術(shù)是什么？應(yīng)用前景怎樣？讓我們跟著專家尋找答案——
微芯片是核心難更換是關(guān)鍵
“可植入設(shè)備是指需要通過手術(shù)植入人體或動(dòng)物體內(nèi)的電子設(shè)備，例如心臟起搏器，人工耳蝸，腦刺激器，動(dòng)物標(biāo)簽等�！鼻迦A大學(xué)微電子學(xué)研究所集成電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)室主任張春告訴記者，與可植入設(shè)備有所不同，可穿戴設(shè)備是指便攜式的、用來采集人體的心跳、血壓、心肺音等生理參數(shù)，或進(jìn)行交互的電子設(shè)備。例如手腕式的血壓計(jì)、計(jì)步器、谷歌眼鏡等。
用中國科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員郭志川通俗的話來說，可植入設(shè)備相對(duì)于可穿戴設(shè)備的區(qū)別是，可植入設(shè)備一般會(huì)植入到生物體組織內(nèi)部；而可穿戴設(shè)備則便于攜帶，即“可穿戴設(shè)備可直接穿在身上，或是整合到衣服或配件上”。
可植入設(shè)備根據(jù)相應(yīng)功能，主要由傳感器、芯片和精密機(jī)械部件組合而成。而微芯片幾乎是所有可植入設(shè)備必備的元件之一。
與消費(fèi)電子類產(chǎn)品不同，由于對(duì)安全性、可靠性以及集成度等方面的特殊要求，可植入設(shè)備的微控制芯片一般不會(huì)采用市場(chǎng)上通用的商用微處理器，而是會(huì)專門為此研發(fā)定制芯片�！耙晕鸽姶碳て鳛槔⒖刂菩酒茉谔囟ǖ臅r(shí)間，輸出一定頻率和幅度的電脈沖，刺激胃部肌肉收縮，抑制胃的蠕動(dòng)，使患者有飽感，從而減少食物攝入量，達(dá)到減肥的效果�！睆埓罕硎荆⒖刂菩酒�可以接收來自體外的無線電遙控命令，改變刺激脈沖的參數(shù)和發(fā)放時(shí)間，以適應(yīng)不同的患者和不同治療階段的需求。
可植入設(shè)備一旦出現(xiàn)故障和危險(xiǎn)，只能通過手術(shù)取出更換，會(huì)給患者造成較大的創(chuàng)傷。更何況，一些可植入設(shè)備，例如人工耳蝸，植入后會(huì)和人體組織結(jié)合在一起，所以是不易更換的。因此，可植入設(shè)備在整個(gè)生命周期內(nèi)都不能出現(xiàn)故障，所以對(duì)可靠性、安全性有極高的要求。
“核心的微控制芯片除了具備所要求的基本功能外，還需要采用各種安全加固技術(shù)，保證硬件的安全性和可靠性以及軟件的穩(wěn)定性。這樣的芯片，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求則非常高。”張春坦言，目前能從事這種高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的芯片設(shè)計(jì)的公司很少。以人工耳蝸為例，目前，全世界僅有三家公司達(dá)到了商業(yè)化的水平。
目前來說，那些在人體皮膚下植入一個(gè)微小的芯片，微芯片中記錄著其本人的各項(xiàng)基本資料的“人體芯片”也發(fā)展很快。郭志川表示，現(xiàn)階段“人體芯片”可作為無線射頻識(shí)別電子標(biāo)簽技術(shù)在人體中廣泛應(yīng)用�！皩�(shí)際上，它是一種利用無線射頻識(shí)別技術(shù)開發(fā)出來并可以順利植入肉體的芯片，里面裝有芯片、天線以及信息發(fā)射等裝置，以便對(duì)應(yīng)人類身體之外不同的接收裝置�！惫敬ㄑa(bǔ)充道。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最高端 健康功能最受益
“應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可植入設(shè)備是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的前沿高端產(chǎn)品。”中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)理事長、北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院院長樊瑜波舉例說，例如大家熟悉的心臟起搏器、腦神經(jīng)刺激器（也稱為腦起搏器，用于治療帕金森綜合癥或其他運(yùn)動(dòng)障礙，治療腦部病變等）、人工耳蝸、迷走神經(jīng)刺激器等，均已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中普遍應(yīng)用。
“心臟起搏器是可植入設(shè)備中較為重要和成功的應(yīng)用之一，目前在國內(nèi)外已經(jīng)非常廣泛�！狈げǜ嬖V記者，目前，世界范圍內(nèi)，美國美敦力起搏器所占的市場(chǎng)份額最大，而國內(nèi)在這方面做得比較好的企業(yè)是北京樂普醫(yī)療。
樂普醫(yī)療總經(jīng)理蒲忠杰曾在公司業(yè)績說明會(huì)上表示，公司的腎動(dòng)脈射頻消融導(dǎo)管仍處于臨床研究，而雙腔起搏器自2013年8月開展臨床試驗(yàn)后已接近完成。據(jù)了解，腎動(dòng)脈射頻消融導(dǎo)管是一項(xiàng)能夠有效治療頑固性高血壓的新技術(shù)，目前由美國美敦力公司領(lǐng)先研發(fā)。在去年三季報(bào)中，樂普醫(yī)療披露了腎動(dòng)脈射頻消融導(dǎo)管已開展超過30例的臨床試驗(yàn)。
而對(duì)于雙腔起搏器，蒲忠杰介紹說，該產(chǎn)品是樂普醫(yī)療子公司秦明醫(yī)學(xué)的研發(fā)重點(diǎn)�！澳壳皣鴥�(nèi)涉及心臟起搏器的手術(shù)一年有5萬至6萬例，其中使用一半以上的產(chǎn)品是雙腔起搏器，平均價(jià)格在5萬元左右�！彼f，隨著國產(chǎn)品牌的推出，產(chǎn)品價(jià)格將向下調(diào)整。
能恢復(fù)失明病患視力的人工視覺系統(tǒng)也廣受關(guān)注�！霸撛O(shè)備由一個(gè)小小的視頻攝像機(jī)、影像處理單元（VPU）、發(fā)射眼鏡以及植入型視網(wǎng)膜假體所組成，它可以取代視網(wǎng)膜退化細(xì)胞的功能，改善和提高病患者對(duì)圖像和運(yùn)動(dòng)的感知能力�！狈げㄑa(bǔ)充說，影像處理單元（VPU）會(huì)將微型視頻攝像機(jī)的圖像轉(zhuǎn)換成電數(shù)據(jù)從而無線傳輸?shù)饺斯ひ暰W(wǎng)膜上。
目前國外一些研究人員已經(jīng)發(fā)明了一種輕薄而柔韌電子設(shè)備，并可以像“假紋身”一樣貼在皮膚上或植入人們的皮下組織。據(jù)了解，摩托羅拉公司研發(fā)的“電子文身”由超薄電極、傳感器、無線電源、電子元件和通信系統(tǒng)組成�！斑@些設(shè)備目前可測(cè)量佩戴者的心率、血壓、皮膚的溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。而這些指標(biāo)有助于專業(yè)研究人員跟蹤佩戴者的健康情況。”樊瑜波說。
此外，“讓你不迷路”的“左撇子”指南針也是重要的應(yīng)用之一。電子工程師、分子生物學(xué)黑客布萊恩·麥考伊則設(shè)計(jì)出了首款植入式指南針。這款名為“左撇子”的指南針的工作原理是：將一個(gè)超微型指南針封入一塊硅套內(nèi)，套上一個(gè)圓形的鈦外殼，隨后將其植入人體皮膚下。與此同時(shí)，一個(gè)超薄的細(xì)須露在套外，當(dāng)使用者面朝北方時(shí)，這一細(xì)須便會(huì)被激活，輕微刺激皮膚以便感知方向。
謹(jǐn)慎面對(duì)難題 樂觀看待前景
盡管可植入設(shè)備作為當(dāng)下最熱門的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)之一，但仍有不少專家在接受記者采訪時(shí)表現(xiàn)出謹(jǐn)慎并樂觀的態(tài)度。
“制約可植入設(shè)備發(fā)展的首先是技術(shù)問題。”張春表示，就拿核心元件微芯片來說，一些芯片的設(shè)計(jì)，比如應(yīng)用數(shù)據(jù)公司的VeriChip，是一種“無源芯片”，即一般情況下不需要能量，它只是一個(gè)信號(hào)的載體，只有當(dāng)附近的儀器對(duì)其進(jìn)行掃描的時(shí)才能發(fā)出相關(guān)信息�！耙獜V泛地使用這項(xiàng)技術(shù)，還必須研制出能夠?qū)⑷梭w能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娫醇案呖萍夹酒�，使之能夠和遠(yuǎn)距離設(shè)備交互數(shù)據(jù)。此外，未來是否真的可以研制出更多的‘有源芯片’，可隨時(shí)向外界發(fā)出信息，也是研究者們需要攻克的主要技術(shù)難題之一�！睆埓赫f。
樊瑜波則認(rèn)為，目前可植入設(shè)備最為擔(dān)心的一個(gè)重要問題是植入電極長期刺激周圍細(xì)胞組織導(dǎo)致細(xì)胞組織改變，從而導(dǎo)致電極與周圍組織的信號(hào)傳遞問題等�！熬唧w來說，在電極使用若干年后，在長期電刺激和外來異物的刺激下，它周圍的細(xì)胞組織會(huì)發(fā)生一些復(fù)雜的生物學(xué)響應(yīng)和演變，細(xì)胞的種類、組織的特性會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，將導(dǎo)致電傳導(dǎo)信號(hào)衰竭等一系列問題。”
不過，盡管面臨重重困難，可植入設(shè)備的發(fā)展前景依舊光明�！皬奶岣呱钯|(zhì)量以及人機(jī)交互的效率和便利性出發(fā)，可植入設(shè)備在未來的應(yīng)用前景也十分廣闊。”張春表示，電子科技發(fā)展的最終目是為了改善生活質(zhì)量。在常規(guī)的藥物治療無法治愈疾病時(shí)，采用可植入設(shè)備就是必需的手段了。
“可植入設(shè)備的未來潛在應(yīng)用主要還是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。”郭志川表示，但這項(xiàng)技術(shù)未來的發(fā)展和應(yīng)用前景，不僅僅取決于技術(shù)突破，還取決于公眾對(duì)這一新興事物的接受程度，及對(duì)其潛在風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)。
或許有一天，人們即便老了也會(huì)“耳聰”“目明”，能夠擁有“千里眼”“順風(fēng)耳”，不必觸摸也能感知外界的溫度；或許你在家中小區(qū)，揮揮手就能鎖上自己房門，搖搖頭就能將愛車從地下車庫駛出，眨眨眼就能在家中傳送辦公文件……